PC構造物の健康寿命を延ばす
維持管理
1.PC構造物の維持管理
2
2 .PC構造物の変状
3.PC構造物の調査
4.PC構造物の診断
5.対
策
はじめに
おわりに
2013年制定
コンクリート標準示方書
維持管理編
維持管理編:標準
10章「プレストレストコンクリート」として新
設された.
PC構造物特有の劣化に着⽬する.
PC構造物の維持管理においては、構造物の重要度、構造形式、要求性
能、予定供用期間、環境条件および
PC技術の変遷
を考慮する.
診断においては、PC構造物特有の劣化過程を考慮する.
プレストレストコンクリート⼯学に関する知識と経験を有する
PC構造
専門の技術者
が⾏う必要がある.
PC構造物特有の劣化に対応した補修・補強⼯法を選定する.
3
はじめに
1.PC構造物の維持管理
プレストレストコンクリート
PRESTRESSED CONCRETE
ひび割れを発生させない(制御できる)
W/Cの低い密実なコンクリートに圧縮⼒を
導入する⇒外部からの劣化因⼦に対し⾼い
抵抗性を有している.【⾼耐久性】
疲労破壊に対しても十分な安全性を有する
.
5
1.1
PC構造物の維持管理
PC構造はRC構造とは異なる特性を有するため、PC構造に特有な劣化が
生じることがある.
特徴1:プレストレスの導入
特徴2:PCグラウトの必要性(ポストテンション方式)
特徴3:施⼯⽬地の存在
PC構造に特有な劣化
①PC鋼材と定着部および偏向部に関する劣化
②ポストテンション方式のPCグラウト充填不良等に伴うPC鋼材の劣化
③施⼯⽬地を起点とした劣化
6
1.2
PC構造物に特有な劣化
プレストレストコンクリートの種類
グラウト
とは、プレスレスコンクリート内のPC鋼材の細かい隙間を充填
するために、注入材料として用いるセメントペーストまたはモルタル。
グラウトが充填されていないと、
PC鋼材の腐食
や
破断
を引き起こす可能
性がある。
7/56
1.2
PC構造物に特有な劣化
コンクリート
PC鋼材
グラウト
シース
対象となるPC構造物の建設された時代の技術的特徴を理解した上で維
持管理を⾏う。
PC技術の変遷を考慮
●プレストレストレベル
●技術指針類
●材料
●JIS規格 ●標準設計 ●施⼯技術 ●解析技術
8
1.3
PC構造物の特徴
昭和44年(1969年)制定 昭和55年(1980年)制定 平成6年(1994年)制定 主桁断面 設計⾃動⾞荷重 20tf(195kN),14tf(135kN) 20tf(195kN),14tf(135kN) 245kN 適用支間 14〜40m 20〜40 m 20〜45m PC鋼材 の種類*1 SWPR1 5mm(12本組) SWPR1 7mm(12本組) SWPR1 7mm (12本組) SWPR7A 12.4mm(12本組) SWPR7B 12.7mm(7本組) SWPR7B 12.7mm(12本組) SWPR7B 15.2mm(12本組) 場所打ち床版幅 60cm以下 65cm以下 73cm以下旧建設省標準設計の変遷(ポストテンション方式PCTげた橋の例)
9
1.3
PC構造物の施⼯方法
1 2 3 3 2 1 1 2 3 3 2 1 A2 P1 柱頭部 P2 側径間施工 P1張出ブロック P2張出ブロック 閉合部 張出し方向 張出し方向a) 張出し架設工法
A1 P1 P2 A2 押出し方向 押出しブロック 1 2 3 4 5 6 7 8 9b) 押出し架設工法
施工目地から判断される架設工法の例
2.PC構造物の変状
①PC部材に発生する曲げ、せん断ひび割れ
プレストレスの減少?、
耐荷⼒の低下?
11
2.1
PC構造物の変状
過大な荷重載荷により
生じた曲げひび割れ
せん断ひび割れが生じたPCT桁
③施⼯⽬地(セグメント⽬地)からの漏⽔
●PC鋼材の腐食~破断の危険性
●プレキャストセグメントの⽬地部は連続鉄筋が配
置されていないため、
PC鋼材の破断により落橋に
至る場合がある
.
12
2.1
PC構造物の変状
セグメント目地部の劣化
②PC鋼材に沿ったひび割れやエフロレッセンス
PCグラウト充填不良?
PC鋼材の腐食~破断への危険性
13
2.1
PC構造物の変状
グラウト充填不良により生じたPC鋼材
に沿ったひび割れとエフロレッセンス
ポストテンション方式T桁の下フランジに
生じたひび割れの事例
2018/4/26
2.2
主ケーブルの破断事例
シースに沿って「浮き」が認められる 遊離石灰も多数認められる はつり後 はつり後 損傷状況 損傷状況 破断 破断15
2.3
ポステンT桁の上縁切⽋き部と⽔の浸入経路
上縁定着切欠き グラウト未充填部分 漏水,遊離石 灰,浮き等 漏水,遊離石灰,浮き等16
2.4
横締めPC鋼材の破断
Prestressing steel strand Prestressing steel bar Prestressing steel bar
Prestressing steel bar
2.5
PC橋梁の落橋(その1)
18
Ynys-y-Gwas橋(1953年竣工)
1985年10月 落橋 英国南ウエールズ
・ポストテンション方式のセグメント橋(ブロック桁)
・セグメント目地にはモルタルを使用
・凍結防止剤の使用、内在塩分によりPC鋼材が腐食・破断
参考写真3:PC構造物の維持保全 (社)プレストレスト・コンクリート建設業協会
18
2.5
PC橋梁の落橋(その2)
島田橋(1963年竣工)
1990年7月落橋 岐阜県町道下田瀬1号線
・ゲルバー式PC斜張橋
・PC斜材の腐食・破断により落橋
・点検を実施していなかった
写真:岐阜大名誉教授小柳先生
19
3.PC構造物の調査
3.1
PCグラウト調査
削孔法 IEWP法 インパクトエコー法 X線透過法 広帯域超音波法 非破壊/破壊 破壊 非破壊 非破壊 非破壊 非破壊 判定 目視 波形解析 写真 波形解析 適用 主ケーブル・横締めケーブル 横締めケーブル 主ケーブル・横締めケーブル 主ケーブル 主ケーブル・横締めケーブル 長所 • 正確 • 簡便に実施できる • 簡便に実施できる • 判定が正確 • 簡便に実施できる 短所 • ドリル削孔を必要 とする ・判定に技術を要する • 横締めケーブル専用 • 判定に技術を要する • 深さ、シース径に適用限 界がある • 長時間 • 部材厚さに適用限界があ る • 判定に高度な技術を要す る • 装置が大きい • 高コスト 評価 Maingirder Good Notgood Excellent Acceptable Acceptable Cross
beam Good Excellent Acceptable Acceptable Not good Bridge
deck Good Excellent Acceptable Not good Not good
Impact-echo method
X-ray radiography
Impact elastic-wave method
Drilling method Ultrasonic method
2018/4/26
3.1
PCグラウト調査
X線透過法
X線透過法概念図
IP(イメージングプレート) 対象 PC 鋼材 発電機(200V) X線発生装置 設置台 コントローラー X線装置 X線装置22
グラウト充填
グラウト充填不⾜
3.1
PCグラウト調査
X線透過法
3.1 PCグラウト調査
インパクトエコー法
受振センサ 入⼒ 調査状況 弾性波 グラウト充填 グラウト未充填 fT 入力 (鋼球) グラウト未充填 による空隙 fT Fvoid 健全部 空隙部 Frequency Frequency Am p li tu d e A mp li t ud e 入力 (鋼球) fT=V/2T fvoid=V/2d (1) (2) 主ケーブル24
グラウト充填
グラウト充填不良
卓越したピークが
1
つ認められる
削孔+CCD 充填不良
削孔+CCD 充填確認
Enlarged view Sheath Grout Void Sheath Void Tendons SheathLooking down from the drill hole
3.1 PCグラウト調査
インパクトエコー法【評価】
卓越したピークが
2
つ認められる
弾性波 波形収録装置 増幅装置 横締めPC鋼材 受振 AEセンサー 発振 AEセンサー
3.1
PCグラウト調査
IEWP法
【横締め衝撃弾性波法】
26
-5 -2.5 0 2.5 5 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 時間(μsec) 受 信 振 幅 (V) -15 -10 -5 0 5 発 信 振 幅 (V) 振 幅: 大 きい 伝播 速 度: 速 い グラウト:未充てん 入力波形 出力波形 -5 -2.5 0 2.5 5 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 時間(μsec) 受 信 振 幅 (V ) -15 -10 -5 0 5 発 信 振 幅 (V ) 入力波形 出力波形 グラウト:充てん 振幅 :小 さい 伝播速 度: 遅い 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 伝播速度(m/s) 入 出 力 比 ( × 1 0 -2 ) 充てん 未充てん 充てん範囲 未充てん範囲 グレーゾーン 判定基準 削孔確認
3.1 PCグラウト調査
IEWP法
【横締め衝撃弾性波法】
評価方法
27
V:圧⼒補正後の空隙部の体積(ℓ)
V
0:流量計値(ℓ)
P:測定終了時のゲージ圧(MPa)
P
0:標準気圧(MPa)
ΔP:単位時間当たりの圧⼒上昇(MPa/s)
T:測定時間(s)
圧⼒補正 漏気による補正(漏気が無い場合は“0“) 測定ユニット 気 体 流 量 センサ 吸引口 バッテリー 圧力センサ 真空ポンプ デ ジ タ ル 流量計 真空用フィルタ 波形収録装置⽬的:グラウト未充填部分の空隙体積を推定する
3.1
PCグラウト調査
真空法
28
作業状況 吸入口
測定ユニット
⽬的:グラウト未充填部分の空隙体積を推定する
3.1
PCグラウト調査
真空法
30
3.2
有効プレストレスの推定
調査項⽬ 調査⼿法の例 評価内容の例 プレストレ スの状態 コア切込み法 2方向のひずみゲージを貼り付け,コアを切 り込むことによって解放されるひずみを測定 する. 調査位置における乾燥収縮, クリープひずみの影響を消 去し,応⼒を推定する. スリット法 コンクリートを部分的に切削し,応⼒解放し た際のひずみを光学的ひずみ計測装置により 測定する. 撮影した範囲内の任意の位 置・方向のひずみを画像解 析し,応⼒を推定する. フ ラ ッ ト ジ ャ ッ キ 法 PC部材に切削した溝にフラットジャッキを 挿入し,応⼒の開放によって生じた変形量を 復元させるために要する圧⼒を測定する. 調査位置におけるプレスト レスを直接的に評価する 鉄筋解放ひずみ法 プレストレスが導入されている方向の鉄筋を 切断した時のひずみを測定する. 調査位置における鉄筋解放 ひずみを応⼒に換算してプ レストレスを評価する.⽬的:既存PC構造物の応⼒状態を推定する
切り込み深さ=φ50㎜ ×0.36=18㎜ =φ100㎜×0.36=36㎜2
方向にひずみゲージを貼り付け、コアを切り込むこ
とによって解放されるひずみを測定する
。
3.2 有効プレストレスの推定
コア切込み法
31
①鋼材探査及び位置決め ②ケレン及びゲージ貼付 ③配線及び初期値計測 ④配線取り外し ⑤コア切込み ⑥配線及び解放ひずみ計測
⽬的:既存PC構造物の応⼒状態を推定する
3.2 有効プレストレスの推定
コア切込み法
32
実橋梁における調査 実⾞輌⾛⾏時の挙動測定
荷重-ひび割れ開閉量
0 10 20 30 40 50 60 70 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 ひび割れ開度(mm) 荷 重 ( t f ) G7 A1側変曲点
※車両重量はBWIMシステムを用いて計測した
3.2 有効プレストレスの推定
33
3.3 コンクリート内部⽋陥の調査
内部欠陥を非破壊検査で調査する必要がある
⇒
超音波透過法により内部欠陥を評価する【可視化する】
Construction joint Depth is unclear. Construction joint Rock pockets Depth is unclear.34
トモグラフィ調査
コンクリートの
内部品質
を評価する非破壊試験技術の1つであり、コンク
リート構造物で測定した
伝播速度
を用いて解析し、内部の欠陥位置を可視
化、推定する手法
■入⼒データの作成
・各センサへの到達時間の決定(AIC法)
・打点,受信センサ位置の座標作成
・調査領域の要素の分割
■波線追跡法による解析上の到達時間の計算
■解析上の到達時間と実際の到達時間との時間残差の計
算
データ入⼒
■時間残差の評価
■解析データのデータ補完(局所回帰平滑化)
■速度分布の可視化
可
不可
反復計算
■要素内のスローネス(速度の逆数)の設定
弾性波トモグラフィのフロー
箱桁ウェブ側面に生じた変状(ジャンカ部)に対し、
部材を透過
するようにセンサを
設置し、伝播速度の計測を行い
トモグラフィ解析
から
内部の状況を確認
した
対象構造物
変状(ジャンカ部)
メッシュ分割
調査状況
発信側
受信側
解析結果
良 悪変状部を検出
トモグラフィ調査
透過によるトモグラフィー法
-調査事例-発信側 受信側37/56
箱桁ウェブ側面に生じた変状(ジャンカ部)に対し、
部材を透過
するようにセンサを
設置し、伝播速度の計測を行い
トモグラフィ解析
から
内部の状況を確認
した
対象構造物
変状(ジャンカ部)
メッシュ分割
調査状況
発信側
受信側
解析結果
良 悪変状部を検出
トモグラフィ調査
透過によるトモグラフィー法
-調査事例-発信側 受信側トモグラフィ解析より、内部の状況を確認することが出来た
しかし、
センサを透過できるように、設置できない場所では調査が難しい
38/56
地下構造物での損傷事例としては、ひび割れやジャンカが対象となるこ
とが多い(塩害やASRといった損傷とは違い)。
地下構造物での調査の特徴としては、片面側からの調査に限られること
である。
図- 地下鉄内
図- ボックスカルバート
地下構造物におけるトモグラフィの適用について
トモグラフィ調査
片面調査によるトモグラフィ技術の適用
40/56
従来の弾性波トモグラフィやAEトモグラフィでは,主に
透過弾性波
の縦
波に着目して検討していたが,地下トンネルなど片面からの調査しかでき
ず,かつ活荷重が作用しにくい部材への適用が困難である。
透過弾性波
材料から生じるAE
(活荷重を受ける部材)
地上構造物
片
面
か
ら
の
接
触
し
か
不
可
両
面
か
ら
の
接
触
が
可
能
既往の調査方法では困難である
トモグラフィ調査
片面調査によるトモグラフィ技術の適用
41/56
調査範囲
AEセンサ 入⼒点 2 0 0 m m 4 0 0 m m図- ドリル削孔トモグラフィ計測イメージ
ドリル削孔トモグラフィ調査
透過法に対して、
1面からトモグラフィ
調査をおこなう手法である。
ドリル削孔により深部から弾性波を
入力することが特徴である。
調査手順
①表層部にセンサを設置
↓
②弾性波の入力波鋼球を用いる
↓
③内部から弾性波を発生させるために
ドリル削孔を行い、打撃棒を挿入し、
打撃する
④削孔深さを深くし、計測を繰り返す
(削孔深さは表層から200mmピッチ程度)
図-
ドリル削孔状況
図- センサ設置状況
図-
計測状況
トモグラフィ調査
ドリル削孔によるトモグラフィ調査
42/56
深さ方向における速度分布は⼀定である
深度:約200㎜位置
状況:変状なし
深度:約500㎜位置
状況:変状なし
CCD調査箇所
CCD調査結果
深さ方向における変状は確認されなかった
トモグラフィ調査結果
–健全部-CCD① CCD②
CCD①
CCD②
深度100mm,変状有り 深度500mm,変状無し 深度100mm,変状有り 深度500mm,変状有りCCD調査①
CCD調査②
トモグラフィ結果
トモグラフィ調査結果
–劣化部-弾性波トモグラフィ⼿法の適用事例
■
PCグラウトの未充填部検知
プレストレストコンクリートのグラウ
トの未充填部の検出のため透過弾性波
を利用した点検⼿法を開発,適用。
■
着⽬弾性波パラメータ
到達時間(弾性波速度)
パワースペクトル比(減衰)
スペクトル重心
弾性波の初動の特性に着⽬
適用方法
トモグラフィ結果
20 4@75 =30 0 50 150 4@ 75= 300 150 50 A1 A2 A3 A4 A5 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 B1 B2 B3 B4 B520 4@ 75= 300充填
未充填
4.PC構造物の診断
PC構造は、PC鋼材の腐食が生じると耐⼒の低下
が急激に起きる.
安全性の定量的な評価が難しい.
PCグラウト充填の良否を考慮に入れた評価を⾏う.
46
4.1
PC構造物の診断
47
4.1
PC構造物の診断
潜伏期 進展期 加速期 劣化期 の過程 耐久性低下 の過程 耐荷性低下 潜伏期 進展期 加速期 劣化期 の過程 耐久性低下 の過程 耐荷性低下 使用期間 使用期間 性 能 性能 鉄筋腐食 耐荷力喪失 曲げひび割れ 腐食ひび割れ PC鋼材腐食 腐食ひび割れ 水しみ, 遊離石灰 鉄筋腐食 はく離,はく落 PC鋼材破断(ポステン) はく離,はく落(プレテン) 曲げひび割れ 耐荷力喪失 (a) RC構造物の場合 (b) PC構造物の場合RC構造とPC構造の劣化過程の概念図
48
劣化機構の推定および予測
項⽬の例 影響要因の例 着⽬事項の例 上部構造 構造形式:単純桁,連続桁,ラーメン 断面形式:I桁・T桁・ホロー桁,箱桁,中空床版 断面⼒再分配の違い プレストレス 導入方法:プレテンション方式,ポストテンション方式 PC鋼材配置:内ケーブル方式,外ケーブル方式 グラウトの有無や維持管理の しやすさ 桁製作方法 場所打ち,プレキャスト ⽬地部の有無 PC鋼材 PC鋼線,PC鋼より線,PC鋼棒 腐食破断の違い 定着具の位置 上縁定着,端部定着 ⽔の浸入のしやすさ 橋面防⽔ 有,無 ⽔の供給量の違い 桁支間規模 小支間(30m程度以下),中支間(30〜60m),⻑支間 曲げひび割れの発生時期 損傷部位 プレキャスト桁:桁,間詰め 箱桁:床版,ウェブ,下床版 剛性や耐荷⼒の低下度合い 構造設計 解析方法:棒理論や版理論に基づく方法,静的弾性解析 (微小変形理論による⾻組み解析,FEM解析),静的非 線形解析,動的非線形解析照査方法:PCとPRC,クリ ティカル断面とそれ以外の断面 耐荷⼒の余裕量の違い構造特性が耐力に及ぼす影響要因の例
4.2
PC構造物の診断
【
時間依存性解析】
At completion
After 20 years
Analysis result (side of a web)
Checking the creep and drying shrinkage strain in the web 20 years after the completion
• 持続荷重(プレストレス、死荷重)によるクリープひずみを解析
• 各施⼯ブロックのコンクリート材令の差を考慮した乾燥収縮ひずみを解析
Analysis model Steel tendon model Creep and drying shrinkage settings